Занимая лишь 2 % площади суши, города потребляют 3/4 мировых ресурсов. В настоящее время половина населения планеты живет в городах, к 2030 г. городское население составит 60 %, а к 2050 г. – 67 % от мирового [10]. В России 73 % населения проживает в 1060 городах и 2070 поселках городского типа [1]. Снежный покров – надежный источник данных о загрязнении атмосферного воздуха городов и удобный индикатор техногенных геохимических аномалий в других компонентах ландшафта [2]. Изучение загрязнения снежного покрова дает интегральную оценку состояния атмосферы за холодный период [5]. Основными источниками загрязняющих веществ для снежного покрова городов являются выбросы автотранспорта, промышленности, топливно-энергетического комплекса и антигололедные средства.
Важной проблемой эколого-геохимического изучения урбанизированных территорий является выделение участков с близкими условиями миграции поллютантов и уровнями загрязнения компонентов ландшафтов. Чаще всего она решается путем расчета суммарных показателей загрязнения почв и снежного покрова [2, 3], однако данный метод не учитывает связи между различными свойствами компонентов ландшафтов и уровнями их загрязнения и не позволяет дать характеристику общего состояния городской среды [4].
О.В. Моисеенковым [4] для эколого-геохимического районирования г. Тольятти был разработан и применен метод многомерного кластерного анализа, позволивший провести районирование по комплексу физико-химических условий почв с учетом их техногенной трансформации (рН, гранулометрический состав, содержание гумуса), определяющих интенсивность и характер миграции загрязнителей, а также по данным о содержании 9 металлов в них. В результате на территории города было выделено восемь наиболее устойчивых кластеров. Данный тип районирования основан на использовании фактического материала, полученного в ходе полевых и лабораторных исследований.
Цель исследований – на основе данных о составе талой снеговой воды и величины выпадений тяжелых металлов и металлоидов (ТМ) провести эколого-геохимическое районирование территории Восточного административного округа (ВАО) г. Москвы, где расположены крупные предприятия различного профиля. Загрязнение снежного покрова ТМ в Москве исследовалось ранее [2, 5, 7], однако районирование территории города по комплексу геохимических показателей проводится впервые.
Объект исследований – территория Восточного округа – находится в пределах Подмосковной Мещеры, которая относится к подзоне южной тайги и представляет собой плоскую зандровую равнину с отметками абсолютной высоты 140–160 м. В течение года преобладают ветры южного и западного направлений [8]. Зимой 2009/10 гг. постоянный снежный покров установился 8 декабря. Максимальная высота снежного покрова мало отличалась от средней многолетней величины и составила в среднем 45–50 см, местами снижаясь до 25–30 см (вблизи автомагистралей) и увеличиваясь до 55–65 см (в жилых районах и на фоновых территориях).
В пределах ВАО изучена южная наиболее загрязненная часть – районы Косино–Ухтомский, Новокосино, Вешняки, Кусково, Новогиреево, Ивановское и Перово, предприятия теплоэнергетики, машиностроения и металлообработки, химии и нефтехимии, пищевой промышленности, производства стройматериалов и деревообработки, легкой и текстильной промышленности в промзонах Соколиная гора, Прожектор, Перово, а также Перовская районная тепловая станция и мусоросжигательный завод в Руднево, имеющих различную техногенную геохимическую специализацию выбросов. Не менее сильно воздействуют на городскую среду крупные автомагистрали – МКАД, шоссе Энтузиастов, Свободный и Зеленый проспекты, ул. Кетчерская, Перовская, Плеханова и другие, железные дороги.
Материалы и методы исследований
Данное исследование базируется на материалах снегомерной геохимической съемки, проведенной в начале марта 2010 г. для оценки основных физико-химических характеристик и уровня накопления ТМ в снежном покрове ВАО [3]. Полевые и лабораторные методы подробно изложены в [3]. Смешанные пробы снега отбирали в 51 точке на территории округа и 5 фоновых точках в 50 км на запад от Москвы в районе г. Звенигород. Пробы помещали в пластиковые ведра и растапливали при комнатной температуре.
Основные физико-химические характеристики определены в Эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ. Путем фильтрования выделяли жидкую и твердую фазы. Анионный состав фильтрата (SO42–, Cl–, NO3–) определяли на жидкостном ионном хроматографе, катионный (Са2+, Mg2+, K+, Na+) – на атомно-абсорбционном спектрометре. Концентрацию ТМ в твердой фазе определяли во ВНИИ минерального сырья масс-спектральным и атомно-эмиссионным методами с индуктивно связанной плазмой.
Данные о величине пылевой нагрузки, концентрациях ТМ в пылевой составляющей снега, уровнях выпадений поллютантов и о пространственном распределении указанных параметров брались из работы [3]. Общая геохимическая нагрузка на ландшафты оценивалась двумя суммарными показателями – загрязнения снежного покрова Zc и эмиссии элементов Zd, которые представляют собой сумму Kс и Kd над фоновым уровнем соответственно:
Zс = ∑Kс – (n – 1); Zd = ∑Kd – (n – 1),
где n – число химических элементов с Kс или Kd > 1,5 [2, 3].
Выделение эколого-геохимических районов проводилось путем построения в пакете Surfer 10 методом кригинга карт распределения рН, минерализации и классов макросостава талой снеговой воды, а также величины суммарных выпадений Zd ТМ и дальнейшего синтеза информации с полученных карт методом оверлея.
Результаты исследований и их обсуждение
В районе Звенигорода талые снеговые сульфатно-хлоридно-кальциевые воды имеют слабокислую реакцию (рН 5,8), очень низкую минерализацию (6 мг/л) и малое содержание взвеси – 8 мг/л [3]. Фоновая пылевая нагрузка – 8 кг/км2 в сут. – близка к аналогичному показателю (около 10 кг/км2) для равнинной континентальной территории умеренных широт [3]. Происхождение аэрозолей можно определить путем расчета коэффициента обогащения КО относительно среднего состава земной коры: КО = (Эл / NE)проба / (Эл / NE)земн.кора, где Эл и NE – содержание интересующего и нормирующего элементов соответственно в пробе или в земной коре [9]. В качестве нормирующего элемента используют Al, Fe, Sc, La. На фоновой территории КО по La > 10 для Cu, Pb и Bi свидетельствует о преобладании поступления ТМ из атмосферы при их региональном переносе с прилегающих территорий.
Ранее было установлено подщелачивание талой воды в ВАО относительно фона в среднем на 0,4 ед., увеличение минерализации снеговой воды в 4 раза, возрастание пылевой нагрузки в 2,7 раза [3]. В округе происходит также изменение состава снеговых вод с хлоридно-кальциевого на сульфатно-кальциевый (на юге округа, воздействие ТЭЦ-22), нитратно-кальциевый (воздействие автотранспорта близ Новоухтомского ш. на юге и ш. Энтузиастов на севере округа) и хлоридно-натриевый классы (вблизи практически всех автодорог).
Интегральным показателем атмогеохимического техногенного воздействия является сульфатно-хлоридный коэффициент , представляющий собой отношение SO42–/Cl– в снеговой воде города относительно фона. При его значениях более 10 считается (по Н.Ф. Глазовскому), что территория испытывает сильное техногенное давление, в значительной степени связанное с эмиссией выбросов ТЭЦ. Проблемой коэффициента является его занижение в городах из-за относительного увеличения содержания хлоридов, применяемых в качестве антигололедных средств: в южной части ВАО
варьирует от 0,1 в снеге автомагистралей до 1,7 в жилой застройке южной части округа.
Рис. 1. Изменение отношения хлоридов к натрию на территории ВАО относительно фона
Для выявления степени трансформации состава снеговых вод можно использовать также и
. Показатель
на территории ВАО изменяется слабо и колеблется около 1, а
– от 0,4 до 5,4 (рис. 1). Сильная дифференциация
показывает неоднородность использования и различный состав антигололедных средств, применяемых на территории округа – NaCl, CaCl2, KCl, MgCl2, AlCl3, CH3COONa, HCOONa и др. [6].
Пылевая составляющая снежного покрова округа по сравнению с фоном обогащена (КО > 2) Mo, Ag, Sb, W, As, Sn. Наибольшие выпадения ТМ характерны для автомагистралей и промышленных зон, в составе которых преобладают Мо, W, Sb, As и Ag [3]. В среднем для ВАО суммарные выпадения ТМ (показатель Zd) равны 296, что соответствует слабому загрязнению с неопасной экологической ситуацией. Среднее загрязнение с умеренно-опасной экологической ситуацией (1800 > Zd > 1000) характерно для северо-западной части территории и сформировано в основном выбросами автотранспорта и промышленных объектов [3].
Эколого-геохимическое районирование ВАО по снежному покрову позволило выделить 13 районов, различающихся по минерализации (ультрапресные, пресные), рН (кислые, нейтральные, щелочные), макросоставу (сульфатно-кальциевые, хлоридно-кальциевые, хлоридно-натриевые) снеговых вод, составу снеговой пыли и уровням эмиссии ТМ (рис. 2, таблица).
Наибольшую распространенность получили ультрапресные кислые и нейтральные хлоридно-кальциевые снеговые воды. Имиссия ТМ на большей части территории слабая и очень слабая. Наиболее интенсивная эмиссия в большинстве выделенных районов установлена для Mo, в III и IV районах на юго-востоке округа – для Sb. Кроме нее вклад в суммарные выпадения велик для As (I, II, VI, X районы), W (V, VII, XI, XIII районы), Sn (IX район) и Sb (VIII район). Велика эмиссия Fe близ основного места концентрирования предприятий машиностроения и металлообработки (район Х), а также вдоль МКАД (районы XI, XII и XIII).
В районах III и IV наибольшие выпадения характерны для Sb, в VI – для As (во всех районах снеговые воды ультрапресные хлоридно-кальциевые с различными градациями рН). Наименее загрязнен металлами (наименьшие Zc и Zd) юго-восток округа, где преобладают ультрапресные щелочные хлоридно-кальциевые снеговые воды (IV район).
Результаты эколого-геохимического районирования южной части ВАО по физико-химическим свойствам снеговых вод и суммарной эмиссии химических элементов
Район |
Характеристика района |
Состав пыли и эмиссия элементов* |
I |
Ультрапресные (< 200 мг/л) кислые (рН = 4,5–5,5) сульфатно-кальциевые снеговые воды, очень слабая (< 250) суммарная эмиссия ТМ |
|
II |
Ультрапресные кислые (5,5–6,5) хлоридно-кальциевые, местами сульфатно-кальциевые воды, очень слабая эмиссия ТМ |
|
III |
|
|
IV |
Ультрапресные нейтральные (6,5–7,5) хлоридно-кальциевые, местами хлоридно-калиевые воды, очень слабая эмиссия ТМ |
|
V |
Ультрапресные щелочные (7,5–8,0) хлоридно-кальциевые воды, очень слабая эмиссия ТМ |
|
VI |
|
|
VII |
Пресные (200–305 мг/л) кислые (рН = 5,5–6,5) хлоридно-натриевые воды, очень слабая эмиссия ТМ |
|
VIII |
Ультрапресные кислые (4,5–5,5) хлоридно-кальциевые, местами хлоридно-калиевые воды, слабая (250–500) эмиссия ТМ |
|
IX |
Ультрапресные кислые (5,5-6,5) хлоридно-кальциевые воды, слабая эмиссия ТМ |
|
X |
Ультрапресные нейтральные (6,5–7,5) сульфатно-кальциевые воды, слабая эмиссия ТМ |
|
XI |
Ультрапресные нейтральные (6,5–7,5) хлоридно-кальциевые воды, слабая эмиссия ТМ |
|
XII |
Ультрапресные кислые (5,5–6,5) хлоридно-кальциевые воды, средне-слабая (500–1000) эмиссия ТМ |
|
XIII |
Ультрапресные кислые (5,5–6,5) хлоридно-натриевые снеговые воды, средняя (1000–1800) эмиссия ТМ |
|
Примечание. *В числителе: цифра – величина Zd, символы – элементы с максимальными Kd, индекс – величина Kd; в знаменателе: цифра – величина Zс, символы – элементы с максимальными Kс, индекс – величина Kс
Рис. 2. Эколого-геохимическое районирование ВАО по физико-химическим свойствам снеговых вод и суммарной эмиссии ТМ. Символы элементов – 4 элемента с наибольшими выпадениями, индекс – величина эмиссии. Описание выделенных районов приведено в таблице
Наиболее загрязнен ТМ XIII район, расположенный на пересечении МКАД и ш. Энтузиастов. Величина рН в нем слабо отличается от фонового, но сильная трансформация выразилась в других физико-химических свойствах – общей минерализации (пресные воды) и макросоставе (хлоридно-натриевые). Поэтому для выделения зон техногенной трансформации снежного покрова необходимо использовать не только рН и величину эмиссии поллютантов, но и весь комплекс других параметров – общую минерализацию, состав снеговых вод, соотношение макрокомпонентов снеговой воды и микрокомпонентов снеговой пыли.
Выводы
Эколого-геохимическое районирование южной части ВАО по снежному покрову позволило выделить 13 районов, различающихся по минерализации, рН, составу снеговых вод, составу снеговой пыли и уровням эмиссии поллютантов. Наибольшую распространенность получили ультрапресные кислые и нейтральные хлоридно-кальциевые снеговые воды. Имиссия ТМ на большей части округа слабая и очень слабая. Наиболее интенсивная эмиссия в большинстве выделенных районов установлена для Mo, Sb, As, W и Sn. Пространственное распределение значений коэффициента показало неоднородность использования и различный химический состав антигололедных средств, применяемых на территории округа.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 8673, при финансовой поддержке Русского географического общества, договор № 05/2013-П1 (Интегральная оценка экологического состояния регионов и городов России) и Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 13-05-4119 (Интегральная оценка и картографирование качества городской среды на основе анализа ландшафтно-геохимических данных).
Рецензенты:
Кошелева Н.Е., д.г.н., ведущий научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва;
Новаковский Б.А., д.г.н., профессор кафедры картографии и геоинформатики, географический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва.
Работа поступила в редакцию 09.10.2013.